48 m半穿式钢梁提速改造设计

2014-07-25凌夏青

铁道勘察 2014年4期

关键词：桁梁角钢钢梁

凌夏青

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

48 m半穿式钢梁提速改造设计

凌夏青

(中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070)

为了使既有48 m单线半穿式栓焊钢桁梁满足提速要求，根据以往工程实践，提出了加固下弦杆、下平纵联的改造方案。建立桥梁的多自由度有限元模型，进行动力响应分析，论证改造方案的效果。

48 m半穿式钢梁改造动力分析

宁启铁路复线电气化改造工程(以下简称宁启)区间设计时速200 km。而既有宁启铁路在2004年通车，全线设计时速为120 km。既有线钢梁共计14处，提速后废弃9座，位于限速段的3座，位于提速段既有48 m半穿式钢梁桥共计2处，分别为跨盐靖高速大桥，串场河中桥。既有宁启线通车仅10年，废弃既有钢梁桥不但经济损失大，而且社会影响大，所以设计对提速段的2座48 m钢梁进行提速改造研究。

图1 既有48半穿式钢桁梁

1 桥梁动力分析模型

既有48 m半穿式单线简支钢桁梁桥采用图号为专桥(01)0101，主桁高度5.5 m，主桁中心距6.0 m，节间长度4 m。桥面系采用纵横梁结构体系，纵梁高度为420 mm，横梁高度为855 mm。平纵联采用三角形，截面为工形，弦杆截面高度为440 mm、宽度为460 mm。钢梁材质为16Mnq钢(如图1)。

桥梁采用多自由度有限元模型，以空间梁单元为基本单元，因桥墩台很矮，故未考虑其影响，支座的约束条件通过约束相应的位移来处理。二期恒载采用1.0 t/m，作用于整个下平联平面上，结构自重根据设计图上提供数值等效成材料容重。

桥梁结构采用一致刚度矩阵和一致质量矩阵，由于精确地决定结构的阻尼矩阵相当困难，因此将实际结构的阻尼简化为结构总刚度阵和质量阵的线性组合，即

(1)

这种阻尼称为比例阻尼或振型阻尼。M和K为结构的整体质量矩阵和刚度矩阵。

采用瑞利阻尼，瑞利阻尼阵C可由式(1)表示，且

(2)

上式中，ω1、ω2、ξ1、ξ2分别为结构的一阶二阶自振频率与相应的阻尼比。对钢桥而言，ξ1、ξ2一般取为1%。有限元模型渲染见图2。

2 车型、编组及轨道不平顺谱选取

2.1 车型及编组

根据宁启复线提速改造设计目标，结合全路主力车型，选取下面3种车型及编组：

(1)韶山3型机车+20×C70重车，车速80、90、100、110、120 km/h；

(2)韶山3型机车+20×C80重车，车速80、90、100、110、120 km/h；

(3)CRH2动车组，8辆编组，车速180、200、220、240、250 km/h

2.2 轨道不平顺谱选取

机车车辆产生振动引起的重要原因是轨道不平顺，考虑到国内有砟轨道一般与美国五级轨道谱大体相当，即比美国五级线路谱要好，比美国六级线路谱要差。本次分析对货车工况采用了美国五级谱模拟线路状态，对CRH2动车组则采用美国六级谱生成的轨道不平顺时域模拟样本进行计算。

3 桥梁改造方案

48 m半穿式钢梁提速的主要问题在于横向刚度不足，导致横向自振频率及横向振幅超限。加固方案主要有以下两种措施。

加固措施一：对主桁下弦进行加强，在H形杆件内外侧四个角设置角钢与其连接，用以增加下弦杆的有效截面，加大主桁刚度，减小横向振幅。同时在每一个节间设置了两处缀板，将四个角刚箍紧。施工时，先在下弦杆上将拼接螺栓孔钻好，解开节点板上与加强角钢连接的原有高强螺栓，随即安装加强角钢。加强角钢应逐个安装，待加强角钢全部安装完毕后，再在节点位置安装拼接板。见图3。

图3 下弦杆加固断面(单位：mm)

加固措施二：对主桁下平纵联进行杆件更新改造，见图4。

图4 下平联加固断面(单位：mm)

高强度螺栓施工应按照铁路高强度螺栓连接施工规定执行。高强度螺栓连接表面的处理，有条件时应采用喷丸(砂)除锈，必须将表面油污、氧化皮和铁锈及其他杂物清楚干净，再喷铝或涂装无机富锌防锈抗滑涂料。确有困难时，可采用火焰或钢丝刷除锈，除掉油漆及氧化皮，保证摩擦系数在0.35以上。改造安装完毕后，钢梁表面油漆损伤部位必须清理干净，涂装底漆、中间漆和面漆。